正交多狭缝扫描技术在偏心起爆波形分析中的应用*

沈　飞,王　辉,任新联,袁建飞

(西安近代化学研究所,西安　710065)

正交多狭缝扫描技术在偏心起爆波形分析中的应用*

沈飞,王辉,任新联,袁建飞

(西安近代化学研究所,西安710065)

摘要:为研究装药在偏心起爆条件下的爆轰波传播特性,采用正交多狭缝扫描技术对装药表面的爆轰波传播过程进行观测,从两个垂直方向同时记录了多条扫描迹线,通过对实验结果进行分析,获得了爆轰波在狭缝交点处的传播速度及方向,并绘出了定向区域的波形演变图。结果表明,正交多狭缝扫描技术能够较全面地记录装药偏心起爆时爆轰波传播过程的信息,可以为爆轰波传播特性及波形变化规律的研究提供依据。

关键词:偏心起爆;爆轰波;高速扫描相机;正交狭缝扫描

0引言

偏心起爆式定向战斗部作为一种新型高效毁伤战斗部技术,主要通过改变起爆点位置和控制爆轰波波形来提高目标方向上的破片密度及破片速度[1-6],所以研究偏心起爆时爆轰波的传播特性可以为该类战斗部的设计提供重要参考。

装药偏心起爆时爆轰波的传播过程有时较为复杂,这方面的研究一般采用狭缝式高速扫描等测试手段进行。一些学者开展了这方面的探索,如文献[7-8]中采用平行三狭缝扫描技术分别对两点偏心起爆的圆柱形B炸药及复合装药的爆轰波阵面进行了观测,并绘制出了观测方向上不同时刻的波形图。然而,装药多点偏心起爆时,爆轰波阵面上各点的法向速度在不断变化,采用平行多狭缝扫描技术只能获得某个方向上的相位移[8-9],这虽然可以判断该方向上波形的变化,但难以判断爆轰波的真实传播速度及方向。如果采用两台高速扫描相机在相互垂直的方向上同时进行多狭缝扫描,则可以形成一个观测网,且能够分析出狭缝交点处的爆轰波传播速度及方向,从而可以更全面地了解爆轰波的传播特性及波形变化规律。基于此,本研究采用该技术对装药两点偏心起爆条件下爆轰波的传播特性进行了实验探索,以验证该方法的可行性。

1实验装置及布局

实验爆炸装置主要由主装药、传爆药、光探板、定位环、雷管组成,其中,主装药为以HMX为主要成分的压装药柱,密度为1.81 g/cm3,尺寸为Φ100×20 mm,中心位置具有Φ20 mm的通孔。装配过程中,将主装药放置于定位环内,定位环上有两个Φ8 mm的小孔,其夹角为60°,小孔内可放置传爆药柱及雷管。为了获得清晰的爆轰波轨迹,可将有机玻璃光探板与主装药的测量端面粘贴,并预留0.1 mm左右的间隙,当冲击波进入空气隙时,隙中空气电离而发出强光,而冲击波离开光探板后,又能够阻止后续爆轰产物的光线进入镜头,起到了爆炸快门的作用[9]。波形扫描实验的布局如图1所示,所用相机为SJZ-15型气动转镜式相机,每台相机均使用3个等间距狭缝进行扫描,狭缝的宽度为0.02 mm,Ⅰ号相机的狭缝对准装药的竖直方向,其编号分别为狭缝1、2、3,Ⅱ号相机的狭缝对准装药的水平方向,其编号分别为狭缝1′、2′、3′,相机的扫描速度均设置为6 mm/μs,当相机均达到预定转速后两个起爆点同时起爆。

图1　实验布局示意图

2实验结果及分析

实验所获得的动态扫描底片如图2所示,由于狭缝2及2′均经过中心孔位置,所以其波形的中心部位处应是空缺的,但受光线在圆孔内折射等因素的影响,该处存在一些杂光,判读过程中可以跳过。对底片进行数字化判读后,可结合狭缝的间距、相机扫描速度、图像放大比等参数得到实验的波形曲线。若选择竖直方向为y轴,水平方向为x轴,则波形曲线如图3所示,在图3(a)中,由于狭缝1和3所扫描的位置关于y轴对称,所以这两条曲线重合。这些曲线只是描述了从不同方向观测的相位移随时间的变化过程,并不表示爆轰波沿法线方向的传播轨迹。此外,曲线在某个位置点的斜率表示该处的相速度,可采用差分法进行计算。图4描述了竖直和水平狭缝位置处的相速度随位移的变化曲线,其中,vx和vy分别为沿着x和y轴方向观察的相速度,图4(b)中由于相速度峰值较大,所以纵坐标选用lg(vx)。

水平和竖直狭缝在炸药端面能够形成若干个交点,且由于同一方向的狭缝之间是等间距的,则在炸药端面形成一个规则的“网”,若能够通过实验扫描结果计算出各个交点处爆轰波的传播速度及方向,则可以全面、准确地了解爆轰波的传播过程。本研究中狭缝在炸药的测试端面共形成了9个交点(如图5所示),其中一个交点位于中心孔位置,所以只能获得8个交点的有效信息。同时,根据底片的放大比可计算出两张底片中狭缝的间距,狭缝1、2、3的间距为16.7 mm,狭缝1′、2′、3′的间距为17.2 mm,从而能够确定出图中各个交点的坐标。

图2　狭缝扫描底片

图3　扫描测试结果

图4　沿不同方向观测的相速度变化曲线

图5　狭缝交点位置示意图

图6　法向速度与相速度关系图

对于各个交点处爆轰波的传播速度及方向的确定,可以根据两台相机的扫描结果并结合图6中所示的几何关系进行分析。在图6中,vs为爆轰波阵面的法向速度,θ为法向速度与y轴的夹角,根据其几何关系,可知:vs=vxsinθ

(1)

vs=vycosθ

(2)

θ=arctan(vy/vx)

(3)由式(1)和式(2)能得到如下公式:

(4)

因此,可以根据式(3)和式(4)计算出爆轰波经过各个交点时的法向速度及方向,由于点g、f、e分别与点a、b、c关于y轴对称,则只需要计算出5个交点的相关物理量,其计算结果如表1所示,此外,点h、d位于对称轴上,爆轰波经过这两处时vs与vy相等。

表1　狭缝交点处的爆轰波参数

图7　竖直狭缝所得波形图

3结论

本研究中采用正交多狭缝扫描技术对两点偏心起爆条件下爆轰波的传播过程进行了观测,同时获得了两个垂直方向的多个爆轰波扫描迹线,获得了8个狭缝交点处爆轰波的速度及偏转角度,表明该技术对于偏心起爆波形的分析具有较好的效果。但所用的狭缝数对于更复杂的装药结构(如复合装药等)的研究仍然偏少,所获信息难以满足全面了解爆轰波传播特性的要求,在后续的研究中可以采用更多的狭缝数进行观测,从而形成更为严密的观测网。

参考文献:

[1]梁争峰. 定向战斗部毁伤效能增益研究 [D]. 西安: 西安近代化学研究所, 2005.

[2]孙学清, 张国伟, 杨陕平. 定向战斗部破片飞散方向控制技术研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2008, 28(1): 102-104.

[3]宋柳丽. 偏心起爆式定向战斗部破片速度分布及增益研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2008.

[4]兰志, 杨亚冬, 韩玉. 起爆方式对偏心式定向战斗部破片速度分布的影响研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2010, 30(3): 159-161.

[5]黄静, 孔凡勋, 袁晋, 等. 多点偏心起爆对破片速度增益的影响 [J]. 现代防御技术, 2011, 39(6): 37-42.

[6]孙兴昀. 定向战斗部偏心多点起爆技术及其增益效能研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

[7]袁宝慧, 杨凯. 多狭缝扫描技术在偏心起爆定向战斗部实验的应用研究 [C]∥2007年战斗部与毁伤效率专业委员会第十届学术年会论文集. 西安: 西安近代化学研究所, 2007: 553-556.

[8]丁刚, 袁宝慧. 复合装药偏心起爆的爆轰波特性 [J]. 火炸药学报, 2009, 32(2): 79-82.

[9]谭显祥. 光学高速摄影测试技术 [M]. 北京: 科学出版社, 1990.

收稿日期:2014-06-16

作者简介:沈飞(1983-),男,江苏南通人,工程师,硕士,研究方向:爆炸作用与毁伤技术。

中图分类号:O389;TJ55

文献标志码:A

Application of Orthogonal Slits Scanning Technology on the
Waveform Analysis of Off-axis Initiation

SHEN Fei,WANG Hui,REN Xinlian,YUAN Jianfei

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

Abstract:For study on detonation wave characteristics of charge under off-axis multi-spot initiation, the orthogonal slits scanning technology was used to observe propagation process of detonation wave on the surface of charge. Multiple scanning traces were recorded for both orthogonal directions. The propagation speed and direction of detonation wave in the intersection points of the slits was obtained by analyzing the traces, and evolution program diagram of waveform in aimed direction was drawn. The obtained results indicate that the orthogonal slits scanning technology can record the information of detonation wave process under off-axis multi-spots initiation more thoroughly. Furthermore, the technology can provide adequate evidence for analyzing the propagation characteristics and waveform evolution of detonation wave.

Keywords:off-axis initiation; detonation wave; high speed scanning camera; orthogonal slits scanning